新型半刚性节点网壳结构的动力性能及其抗震设计方法研究

The latticed shells with semi-rigid joints have quite different mechanical behaviour from those assembled by rigid or pin joints. Semi-rigidly jointed spatial structures, with merits such as beautiful appearance, construction convenience and high fabrication accuracy, etc., possess a wide-range prospect of engineering applications. However, the lagged dynamic performance and seismic design method for the semi-rigidly jointed spatial structures limit the engineering applications of this kind of structures. As a matter of fact, on the basis of previous studies, the dynamic performance and seismic design methodof the new semi-rigid joints and the dynamic stability of the latticed shells are investigated in detail. The main content of this study includes: i) some new assemble semi-rigid joints will be developed to connect the rectangular steel members or I-steel members; ii) the hysteretic behavior of the new semi-rigid joitns will be investigated through the experimental and numerical study; iii) the dynamci performances of the latticed shells will be investigated through the structural experiments, and the delicate numerica model of the latticed shells with semi-rigid will be established to investigate their dynamic peformance，the seismic performance of the semi-rigidly jointed latticed shells will be investigated in detail by conducting a large-scale parametric analysis, and ; iv)the reasonable and effectiveseismic design method will be developed.Through these studies, the useful seismic design theory and method will be established to solve the actual engineering design problems, which will provide the reliable theoretical foundation and technical support for the engineering applications of the semi-rigidly jointed domes.

装配式半刚性节点网壳外形美观、施工速度快、定位精度高，应用前景非常可观。然而，半刚性节点网壳结构的动力性能及其抗震设计方法研究尚属空白，成为制约此类结构广泛应用于工程实际的关键问题。为此，申请者以前期研究为基础，对新型半刚性节点网壳结构的动力性能和抗震设计方法展开深入系统的研究，主要内容包括：（1）研发出适用于矩型钢管或工字钢等构件的新型装配式半刚性节点；（2）通过试验和数值模拟等手段对新型半刚性节点的空间滞回性能展开研究；（3）开展新型半刚性节点网壳结构动力性能的试验研究，并建立动力荷载作用下结构的精细化数值分析模型，针对半刚性节点网壳结构的抗震性能，展开大规模的参数化分析；（4）提出合理有效的半刚性节点网壳结构的抗震设计方法。通过本项目的研究，建立起可应用于工程实际的较完善的半刚性节点网壳结构抗震设计理论与设计方法，为新型半刚性节点网壳结构的工程应用提供可靠的理论基础与技术保障。

研发了与单层网壳中矩形钢管或工字钢构件配套的一系列新型装配式半刚性节点，采用试验分析、数值模拟和理论推导等研究方法，对新型半刚性节点的受力性能和设计理论展开了详细研究；建立了动力荷载作用下半刚性节点单层网壳结构的精细化数值分析模型，并针对其抗震性能展开了大规模参数化分析，主要工作如下：（1）新型半刚性节点研发及几何尺寸优化：针对半刚性节点网壳结构的适用范围及其工作特点，并考虑节点在地震作用下的耗能性能，研发出了系列装配式节点。利用ABAQUS软件建立了节点精细化分析模型，对节点各组件的几何尺寸进行了优化分析；（2）新型节点静力性能及滞回性能的试验研究：对新型半刚性节点开展了一系列静力和拟静力试验研究。研究了各参数对节点弯矩-转角曲线和破坏模式的影响规律；分析了节点试件在往复荷载下的强度和刚度退化、延性及耗能能力等；（3）新型节点静力性能的数值模拟及理论分析：考察了节点在不同荷载组合作用下的弯矩-转角曲线模型，力学性能和破坏机理。拟合出了偏心受力、定轴力受弯作用下节点极限弯矩包络曲线，并给出了相应的拟合公式。建立了节点在弯剪荷载下的弯矩-转角关系理论模型，并通过了试验验证；（4）新型节点滞回性能的数值模拟及理论分析：采用有限元方法对弯剪作用和定轴力受弯作用下节点的滞回性能展开了参数分析。通过对不同荷载组合下节点的滞回曲线、延性比和骨架曲线等抗震性能指标分析，得到了所研发的新型半刚性节点具有很好的耗能能力；（5）半刚性节点凯威特单层网壳动力性能分析：建立了基于ABAQUS的半刚性节点网壳结构基于动力荷载的精细化数值分析模型，并通过试验验证。在此基础上，考虑节点的抗转动刚度、矢跨比，几何初始缺陷，杆件截面等参数影响，开展了半刚性节点单层凯威特网壳进行了自振频率分析和常遇地震作用下的杆件内力分析，提出了一种地震内力系数统计方法；并统计出了常遇地震作用下的半刚性单层网壳地震内力系数。